Электрификация — это процесс получения энергии с помощью электричества и, во многих контекстах, введение такой энергии путем перехода от более раннего источника энергии.
В контексте истории технологий и экономического развития электрификация означает создание систем производства и распределения электроэнергии в Великобритании, США и других ныне развитых странах с середины 1880-х годов примерно до 1950 года. В контексте устойчивой энергетики электрификация означает создание суперсетей с накопителями энергии для обеспечения перехода энергии на возобновляемые источники энергии и переключения конечных потребителей на электричество.
Электрификация отдельных отраслей народного хозяйства называется электрификацией заводов , электрификацией домовладений , электрификацией деревни , электрификацией железных дорог . В контексте устойчивой энергетики используются такие термины, как электрификация транспорта (имеются в виду электромобили ) или электрификация отопления (имеются в виду тепловые насосы ). Это также может применяться к изменению промышленных процессов, таких как плавка, плавление, сепарация или очистка от нагревания угля или кокса, или химических процессов на какой-либо тип электрического процесса, такого как электродуговая печь , электрический индукционный или резистивный нагрев, электролиз или электролитическое разделение.
Самыми ранними коммерческими видами использования электричества были гальваника и телеграф . [1]
В 1831–1832 годах Майкл Фарадей открыл принцип действия электромагнитных генераторов. Этот принцип, позже названный законом Фарадея , основан на электродвижущей силе , генерируемой в электрическом проводнике, который подвергается изменяющемуся магнитному потоку, как, например, провод, движущийся в магнитном поле. Фарадей построил первый электромагнитный генератор, названный диском Фарадея , тип униполярного генератора , использующий медный диск, вращающийся между полюсами подковообразного магнита . Первый электромагнитный генератор Фарадея производил небольшое постоянное напряжение.
Примерно в 1832 году Ипполит Пиксий усовершенствовал магнето, применив подкову с проволочной обмоткой, с дополнительными катушками проводника, генерирующими больший ток, но это был переменный ток. Андре-Мари Ампер предложил способ преобразования тока от магнето Пикси в постоянный с помощью качающегося переключателя. Позже сегментированные коммутаторы стали использоваться для получения постоянного тока. [2]
Примерно в 1838–1840 годах Уильям Фотергилл Кук и Чарльз Уитстон разработали телеграф. В 1840 году Уитстон использовал разработанное им магнето для питания телеграфа. Уитстон и Кук добились важного улучшения в производстве электроэнергии, используя электромагнит с батарейным питанием вместо постоянного магнита, который они запатентовали в 1845 году. [3] Самовозбуждающаяся динамо-машина с магнитным полем покончила с батареей для питания электромагнитов. Этот тип динамо-машины был изготовлен несколькими людьми в 1866 году.
Первый практический генератор, машина Грамм , был изготовлен З.Т. Граммом, который продал многие из этих машин в 1870-х годах. Британский инженер РЭБ Кромптон усовершенствовал генератор, чтобы обеспечить лучшее воздушное охлаждение, а также внес другие механические усовершенствования. Составная обмотка, дающая более стабильное напряжение при нагрузке, улучшила рабочие характеристики генераторов. [4]
Усовершенствования в технологии производства электроэнергии в XIX веке значительно повысили ее эффективность и надежность. Первые магнето преобразовывали лишь несколько процентов механической энергии в электричество. К концу 19 века самый высокий КПД составлял более 90%.
Сэр Хамфри Дэви изобрел угольную дуговую лампу в 1802 году, обнаружив, что электричество может создавать световую дугу с помощью угольных электродов. Однако он не использовался в значительной степени до тех пор, пока не были разработаны практические средства производства электроэнергии.
Угольные дуговые лампы запускались путем установления контакта между двумя угольными электродами, которые затем были разделены с точностью до узкого зазора. Поскольку углерод сгорал, зазор приходилось постоянно регулировать. Было разработано несколько механизмов регулирования дуги. Обычный подход заключался в подаче угольного электрода под действием силы тяжести и поддержании зазора с помощью пары электромагнитов, один из которых втягивал верхний угольный электрод после зажигания дуги, а второй контролировал тормоз подачи под действием силы тяжести. [5]
Дуговые лампы того времени имели очень интенсивную светоотдачу – в пределах 4000 свечей (кандел) – и выделяли много тепла, а также представляли опасность пожара, что делало их непригодными для освещения домов. [2]
В 1850-х годах многие из этих проблем были решены с помощью дуговой лампы, изобретенной Уильямом Петри и Уильямом Стэйтом. В лампе использовался магнитоэлектрический генератор и имелся саморегулирующийся механизм для регулирования зазора между двумя углеродными стержнями. Их свет использовался для освещения Национальной галереи в Лондоне и был большой новинкой для того времени. Эти дуговые лампы и подобные им конструкции, питаемые от больших магнето, впервые были установлены на английских маяках в середине 1850-х годов, но ограничения по мощности не позволили этим моделям добиться должного успеха. [6]
Первая успешная дуговая лампа ( свеча Яблочкова ) была разработана русским инженером Павлом Яблочковым с использованием генератора Грамма . Его преимущество заключалось в том, что он не требовал использования механического регулятора, как его предшественники. Впервые он был выставлен на Парижской выставке 1878 года и получил широкую поддержку от Gramme. [7] Дуговой фонарь был установлен вдоль полумили авеню Оперы , площади Французского театра и вокруг площади Оперы в 1878 году. [8]
В 1878 году Р.Б. Кромптон разработал более сложную конструкцию, которая давала гораздо более яркий и устойчивый свет, чем свеча Яблочкова. В 1878 году он основал Crompton & Co. и начал производить, продавать и устанавливать лампы Crompton. Его концерном была одна из первых электротехнических фирм в мире.
У различных форм ламп накаливания было множество изобретателей; однако наиболее успешными ранними лампами были те, в которых использовалась углеродная нить накаливания, запечатанная в высоком вакууме. Они были изобретены Джозефом Своном в 1878 году в Великобритании и Томасом Эдисоном в 1879 году в США. Лампа Эдисона оказалась более успешной, чем лампа Свона, потому что Эдисон использовал более тонкую нить накала, что придавало ей более высокое сопротивление и, следовательно, проводило гораздо меньший ток. Эдисон начал коммерческое производство ламп накаливания с углеродной нитью в 1880 году. Коммерческое производство ламп Swan's Light началось в 1881 году .
Дом Свона в Лоу-Фелле , Гейтсхед, был первым в мире, где были установлены работающие лампочки. Библиотека Lit & Phil в Ньюкасле была первым общественным помещением, освещенным электрическим светом, [10] [11] , а театр «Савой» был первым общественным зданием в мире, полностью освещенным электричеством. [12]
Считается, что первая центральная станция, обеспечивающая электроэнергию, появилась в Годалминге , графство Суррей, Великобритания, осенью 1881 года. Система была предложена после того, как городу не удалось достичь соглашения по тарифам, взимаемым газовой компанией, поэтому городской совет решил использовать электричество. Система освещала дуговые лампы на главных улицах и лампы накаливания на нескольких переулках с помощью гидроэлектроэнергии. К 1882 году было подключено от 8 до 10 домов, всего 57 фонарей. Система не имела коммерческого успеха, и город снова перешел на газ. [13]
Первая крупномасштабная центральная распределительная станция была открыта на виадуке Холборн в Лондоне в 1882 году . Городская храмовая церковь . Питание осуществлялось постоянным током напряжением 110 В; из-за потерь мощности в медных проводах для заказчика это составило 100 В.
Через несколько недель парламентский комитет рекомендовал принять знаменательный Закон об электрическом освещении 1882 года, который разрешал лицам, компаниям или местным органам власти лицензировать поставку электроэнергии для любых общественных или частных целей.
Первой крупномасштабной центральной электростанцией в Америке была станция Эдисона на Перл-стрит в Нью-Йорке, которая начала работать в сентябре 1882 года. На станции было шесть динамо-машин Эдисона мощностью 200 лошадиных сил, каждая из которых приводилась в действие отдельным паровым двигателем. Он был расположен в деловом и коммерческом районе и снабжал 85 потребителей постоянным током напряжением 110 В с помощью 400 ламп. К 1884 году Перл-стрит поставляла 508 клиентам 10 164 лампы. [15]
К середине 1880-х годов другие электрические компании создавали центральные электростанции и распределяли электроэнергию, в том числе Crompton & Co. и Swan Electric Light Company в Великобритании, Thomson-Houston Electric Company и Westinghouse в США и Siemens в Германии . К 1890 году действовало 1000 центральных станций. [5] Перепись 1902 года насчитывала 3620 центральных станций. К 1925 году половина электроэнергии обеспечивалась центральными станциями. [16]
Одной из самых больших проблем, с которыми столкнулись первые энергетические компании, был почасовой переменный спрос. Когда освещение было практически единственным источником энергии, спрос был высоким в первые часы перед рабочим днем и в вечерние часы, когда спрос достигал пика. [17] Как следствие, большинство первых электрических компаний не предоставляли дневных услуг, а две трети не предоставляли дневных услуг в 1897 году. [18]
Отношение средней нагрузки к пиковой нагрузке центральной станции называется коэффициентом загрузки. [17] Чтобы электроэнергетические компании увеличили рентабельность и снизили тарифы, необходимо было увеличить коэффициент нагрузки. В конечном итоге это было достигнуто за счет нагрузки на двигатель. [17] Двигатели чаще используются в дневное время, и многие из них работают непрерывно. Электрические уличные железные дороги идеально подходили для балансировки нагрузки. Многие электрические железные дороги производили собственную электроэнергию, а также продавали электроэнергию и управляли системами распределения. [19]
На рубеже 20-го века коэффициент загрузки увеличился - на Перл-стрит коэффициент загрузки увеличился с 19,3% в 1884 году до 29,4% в 1908 году. К 1929 году коэффициент загрузки во всем мире превысил 50%, в основном за счет двигателей. нагрузка. [20]
До повсеместного распределения электроэнергии с центральных станций многие заводы, крупные гостиницы, жилые и офисные здания имели собственные производства электроэнергии. Часто это было экономически привлекательно, поскольку отработанный пар можно было использовать для получения тепла в зданиях и промышленных процессах, что сегодня известно как когенерация или комбинированное производство тепла и электроэнергии (ТЭЦ). Большая часть электроэнергии, вырабатываемой собственными силами, стала неэкономичной из-за падения цен на электроэнергию. Еще в начале 20 века изолированные энергосистемы значительно превосходили по численности центральные станции. [5] Когенерация по-прежнему широко практикуется во многих отраслях промышленности, в которых используется большое количество пара и электроэнергии, таких как целлюлозно-бумажная, химическая и нефтеперерабатывающая промышленность. Продолжающееся использование частных электрогенераторов называется микрогенерацией .
Первый коллекторный электродвигатель постоянного тока, способный вращать машины, был изобретен британским ученым Уильямом Стердженом в 1832 году . Это позволило двигателю Стерджена стать первым, способным обеспечивать непрерывное вращательное движение. [22]
Фрэнк Дж. Спрэг усовершенствовал двигатель постоянного тока в 1884 году, решив проблему поддержания постоянной скорости при изменяющейся нагрузке и уменьшив искрение от щеток. Спрэг продал свой двигатель через Edison Co. [23] С помощью двигателей постоянного тока легко изменять скорость, что делало их пригодными для ряда применений, таких как уличные электрические железные дороги, станки и некоторые другие промышленные применения, где желателен контроль скорости. [5]
Производство было переведено с линейного вала и ременной передачи с использованием паровых двигателей и энергии воды на электродвигатели . [19] [24]
Хотя первые электростанции обеспечивали постоянный ток , распределение переменного тока вскоре стало наиболее предпочтительным вариантом. Основные преимущества переменного тока заключались в том, что его можно было преобразовать в высокое напряжение для уменьшения потерь при передаче, а также в том, что двигатели переменного тока могли легко работать с постоянной скоростью.
Технология переменного тока берет свое начало в открытии Фарадея в 1830–1831 годах, что изменяющееся магнитное поле может индуцировать электрический ток в цепи . [25]
Первым, кто придумал вращающееся магнитное поле, был Уолтер Бейли, который 28 июня 1879 года продемонстрировал Лондонскому физическому обществу работоспособную демонстрацию своего многофазного двигателя с батарейным питанием и коммутатором. [26] Почти идентичный аппарату Бейли, французский инженер-электрик Марсель Депре в 1880 году опубликовал статью, в которой определил принцип вращающегося магнитного поля и принцип двухфазной системы токов переменного тока для его создания. [27] В 1886 году английский инженер Элиху Томсон построил двигатель переменного тока, расширив принцип индукции-отталкивания и свой ваттметр . [28]
Именно в 1880-х годах технология была коммерчески разработана для крупномасштабного производства и передачи электроэнергии. В 1882 году британский изобретатель и инженер-электрик Себастьян де Ферранти , работавший в компании Siemens , в сотрудничестве с выдающимся физиком лордом Кельвином разработал технологию переменного тока, включая первый трансформатор. [29]
Силовой трансформатор, разработанный Люсьеном Голардом и Джоном Диксоном Гиббсом , был продемонстрирован в Лондоне в 1881 году и привлек интерес Вестингауза . Они также представили изобретение в Турине в 1884 году, где оно было использовано в системе электрического освещения. Многие из их конструкций были адаптированы к конкретным законам, регулирующим распределение электроэнергии в Великобритании. [ нужна цитата ]
Себастьян Зиани де Ферранти занялся этим бизнесом в 1882 году, когда открыл в Лондоне магазин по разработке различных электрических устройств. Ферранти с самого начала верил в успех распределения электроэнергии переменного тока и был одним из немногих экспертов в этой системе в Великобритании. С помощью лорда Кельвина Ферранти впервые изобрел первый генератор и трансформатор переменного тока в 1882 году. [30] Джон Хопкинсон , британский физик , изобрел трехпроводную ( трехфазную ) систему распределения электрической энергии, для чего он получил патент в 1882 году. [31]
Итальянский изобретатель Галилео Феррарис изобрел асинхронный двигатель многофазного переменного тока в 1885 году. Идея заключалась в том, что два противофазных, но синхронизированных тока можно использовать для создания двух магнитных полей, которые можно объединить для создания вращающегося поля без какой-либо необходимости в переключения или для движущихся частей. Другими изобретателями были американские инженеры Чарльз С. Брэдли и Никола Тесла , а также немецкий техник Фридрих Август Хазельвандер. [32] Им удалось решить проблему запуска двигателя переменного тока, используя вращающееся магнитное поле, создаваемое многофазным током. [33] Михаил Доливо-Добровольский представил первый трехфазный асинхронный двигатель в 1890 году, гораздо более функциональную конструкцию, которая стала прототипом, используемым в Европе и США. [34] К 1895 году двигатели переменного тока появились на рынке у компаний GE и Westinghouse. [35] При однофазном токе в части цепи внутри двигателя можно использовать конденсатор или катушку (создающую индуктивность) для создания вращающегося магнитного поля. [36] Уже давно доступны многоскоростные двигатели переменного тока с раздельно подключенными полюсами, наиболее распространенными из которых являются двухскоростные. Скорость этих двигателей изменяется путем включения или выключения набора полюсов, что делалось с помощью специального пускателя двигателя для более крупных двигателей или простого многоскоростного переключателя для двигателей малой мощности.
Первую электростанцию переменного тока построил английский инженер-электрик Себастьян де Ферранти . В 1887 году Лондонская корпорация электроснабжения наняла Ферранти для проектирования электростанции в Дептфорде . Он спроектировал здание, электростанцию и систему распределения. Он был построен на складе, участке к западу от устья Дептфорд-Крик, когда-то использовавшемся Ост-Индской компанией . Построенный в беспрецедентных масштабах и впервые использовавший переменный ток высокого напряжения (10 000 В), он вырабатывал 800 киловатт и снабжал центральный Лондон. После завершения строительства в 1891 году это была первая по-настоящему современная электростанция, обеспечивающая высокое напряжение переменного тока, которое затем было «понижено» с помощью трансформаторов для потребительского использования на каждой улице. Эта базовая система по-прежнему используется сегодня во всем мире.
В США Джордж Вестингауз , заинтересовавшийся силовым трансформатором, разработанным Голардом и Гиббсом, начал разрабатывать свою систему освещения переменного тока, используя систему передачи с повышающим и понижающим напряжением 20:1. В 1890 году Вестингауз и Стэнли построили систему для передачи электроэнергии на несколько миль к шахте в Колорадо. Было принято решение использовать переменный ток для передачи электроэнергии от Ниагарского электроэнергетического проекта в Буффало, штат Нью-Йорк. Предложения, представленные поставщиками в 1890 году, включали системы постоянного тока и сжатого воздуха. Комбинированная система постоянного тока и сжатого воздуха рассматривалась до самого конца графика. Несмотря на протесты комиссара Ниагары Уильяма Томсона (лорда Кельвина), было принято решение построить систему переменного тока, предложенную как Westinghouse, так и General Electric. В октябре 1893 года компания Westinghouse получила контракт на поставку первых трех двухфазных генераторов мощностью 5000 л.с., 250 об/мин, 25 Гц. [37] Гидроэлектростанция была введена в эксплуатацию в 1895 году, [38] и до этого момента была крупнейшей. [39]
К 1890-м годам одно- и многофазный переменный ток начал быстро внедряться. [40] В США к 1902 году 61% генерирующих мощностей приходилось на переменный ток, а в 1917 году этот показатель увеличился до 95%. [41] Несмотря на превосходство переменного тока для большинства применений, несколько существующих систем постоянного тока продолжали работать в течение нескольких десятилетий после переменного тока. стал стандартом для новых систем.
Эффективность паровых первичных двигателей в преобразовании тепловой энергии топлива в механическую работу была решающим фактором экономичной работы паровых центральных электростанций. В ранних проектах использовались поршневые паровые двигатели , работавшие на относительно низких скоростях. Внедрение паровой турбины коренным образом изменило экономику работы центральных станций. Паровые турбины могли иметь большую мощность, чем поршневые двигатели, и, как правило, имели более высокий КПД. Скорость паровых турбин не менялась циклически во время каждого оборота. Это сделало возможным параллельную работу генераторов переменного тока и повысило стабильность вращающихся преобразователей для производства постоянного тока для тягового и промышленного использования. Паровые турбины работали с более высокой скоростью, чем поршневые двигатели, не ограничиваясь допустимой скоростью поршня в цилиндре. Это сделало их более совместимыми с генераторами переменного тока только с двумя или четырьмя полюсами; между двигателем и генератором не требовалось никакой коробки передач или ременного редуктора. Было дорого и в конечном итоге невозможно обеспечить ременную передачу между тихоходным двигателем и высокоскоростным генератором очень большой мощности, необходимой для обслуживания центральной станции.
Современная паровая турбина была изобретена в 1884 году британским инженером сэром Чарльзом Парсонсом , чья первая модель была подключена к динамо-машине , вырабатывавшей 7,5 кВт (10 л.с.) электроэнергии. [42] Изобретение паровой турбины Парсонса сделало возможным дешевое и обильное электричество. К 1894 году турбины Парсонса были широко внедрены на центральных станциях Англии; Первой в мире электроснабжающей компанией, производившей электроэнергию с использованием турбогенераторов, была собственная электроснабжающая компания Парсонса Newcastle and District Electric Lighting Company , основанная в 1894 году. [43] При жизни Парсонса генерирующая мощность установки была увеличена примерно 10 000 раз. [44]
Первыми турбинами в США были две установки De Leval на заводе Edison Co. в Нью-Йорке в 1895 году. Первая турбина Parsons в США была на предприятии Westinghouse Air Brake Co. недалеко от Питтсбурга . [45]
Паровые турбины также имели капитальные затраты и эксплуатационные преимущества перед поршневыми двигателями. Конденсат паровых двигателей был загрязнен маслом и не мог быть повторно использован, тогда как конденсат из турбины чист и обычно используется повторно. Паровые турбины были лишь частью размера и веса поршневого парового двигателя сопоставимой мощности. Паровые турбины могут работать годами практически без износа. Поршневые паровые двигатели требовали тщательного обслуживания. Паровые турбины могут производиться с мощностью, намного превышающей мощность любых когда-либо созданных паровых двигателей, что дает значительную экономию за счет масштаба .
Паровые турбины могут быть построены для работы на паре более высокого давления и температуры. Фундаментальный принцип термодинамики заключается в том, что чем выше температура пара, поступающего в двигатель, тем выше его эффективность. Внедрение паровых турбин привело к ряду улучшений температуры и давления. В результате возросшая эффективность преобразования снизила цены на электроэнергию. [46]
Удельная мощность котлов была увеличена за счет использования принудительного воздуха для горения и использования сжатого воздуха для подачи пылевидного угля. Также перевалка угля была механизирована и автоматизирована. [47]
Благодаря реализации передачи электроэнергии на большие расстояния стало возможным соединить между собой различные центральные станции, чтобы сбалансировать нагрузки и улучшить коэффициенты нагрузки. Межсетевое соединение становилось все более желательным по мере быстрого роста электрификации в первые годы 20 века.
Чарльз Мерц из консалтингового партнерства Merz & McLellan построил электростанцию Нептун-Бэнк недалеко от Ньюкасл-апон-Тайн в 1901 году [48] и к 1912 году превратился в крупнейшую интегрированную энергетическую систему в Европе. [49] В 1905 году он пытался повлиять на парламент, чтобы он унифицировал разнообразие напряжений и частот в электроэнергетической отрасли страны, но только после Первой мировой войны парламент начал серьезно относиться к этой идее, назначив его главой парламентского комитета по решить проблему. В 1916 году Мерц отметил, что Великобритания могла бы использовать свой небольшой размер в своих интересах, создав плотную распределительную сеть для эффективного снабжения своей промышленности. Его выводы привели к созданию отчета Уильямсона 1918 года, который, в свою очередь, создал законопроект об электроснабжении 1919 года. Этот законопроект стал первым шагом на пути к интегрированной электроэнергетической системе в Великобритании.
Более важный Закон об электроснабжении (поставках) 1926 года привел к созданию Национальной сети. [50] Центральный совет по электроэнергетике стандартизировал электроснабжение страны и создал первую синхронизированную сеть переменного тока, работающую на 132 киловольтах и 50 герцах . В 1938 году она начала работать как национальная система National Grid .
В Соединенных Штатах после энергетического кризиса летом 1918 года, в разгар Первой мировой войны, консолидация поставок стала национальной целью. В 1934 году Закон о холдинговых компаниях коммунального хозяйства признал электроэнергетические компании важным общественным благом наряду с газовыми, водными и телефонными компаниями, и тем самым были даны определенные ограничения и регулирующий надзор за их деятельностью. [51]
Электрификация домохозяйств в Европе и Северной Америке началась в начале 20 века в крупных городах и в районах, обслуживаемых электрическими железными дорогами, и быстро росла примерно до 1930 года, когда в США было электрифицировано 70% домохозяйств.
Сельские районы были электрифицированы первыми в Европе, а в США Сельское электроэнергетическое управление , созданное в 1935 году, обеспечило электрификацию сельских районов. [52]
Производство электроэнергии на центральных станциях обеспечивало электроэнергию более эффективно и с меньшими затратами, чем небольшие генераторы. Капитальные и эксплуатационные затраты на единицу электроэнергии также были дешевле при использовании центральных станций. [24] Стоимость электроэнергии резко упала в первые десятилетия двадцатого века из-за внедрения паровых турбин и улучшения коэффициента нагрузки после внедрения двигателей переменного тока. Когда цены на электроэнергию упали, ее потребление резко возросло, а центральные станции были увеличены до огромных размеров, что привело к значительной экономии за счет масштаба. [53] Историческую стоимость см. в Ayres-Warr (2002), рис. 7. [54]
Электрификация была названа Национальной инженерной академией «величайшим инженерным достижением 20-го века» [55] и продолжается как в богатых, так и в бедных странах . [56] [57]
Электрическое освещение крайне желательно. Свет намного ярче, чем у масляных или газовых ламп, и нет копоти. Хотя раньше электричество было очень дорогим по сравнению с сегодняшним днем, оно было намного дешевле и удобнее, чем освещение мазутом или газом. Электрическое освещение было настолько безопаснее, чем нефть или газ, что некоторые компании могли платить за электричество за счет страховых сбережений. [19]
В 1851 году Чарльз Бэббидж заявил:
Одним из изобретений, наиболее важных для класса высококвалифицированных рабочих (инженеров), была бы небольшая движущая сила — возможно, от силы получеловека до силы двух лошадей, которая могла бы как начать, так и прекратить свое действие в мгновение ока. немедленно, не требуют затрат времени на управление и имеют умеренную стоимость как по первоначальной стоимости, так и по ежедневным расходам. [58]
Чтобы быть эффективными, паровые двигатели должны были иметь мощность в несколько сотен лошадиных сил. Паровые машины и котлы также требовали операторов и технического обслуживания. По этим причинам самые маленькие коммерческие паровые двигатели имели мощность около 2 лошадиных сил. Это было выше потребности многих мелких магазинов. Кроме того, небольшой паровой двигатель и котел стоят около 7000 долларов, а старая слепая лошадь, развивающая мощность в 1/2 лошадиной силы, стоит 20 долларов или меньше. [59] Машины для использования лошадей в качестве источника энергии стоят 300 долларов или меньше. [60]
Многие требования к мощности были меньше, чем у лошади. Цеховые машины, такие как деревообрабатывающие токарные станки, часто приводились в действие рукояткой, управляемой одним или двумя людьми. Бытовые швейные машины приводились в движение ножной педалью; однако фабричные швейные машины приводились в движение паром от линейного вала . Иногда собак использовали на таких машинах, как беговая дорожка, которую можно было приспособить для сбивания масла. [5]
В конце XIX века в специально построенных энергетических зданиях помещения сдавались в аренду небольшим магазинам. Это здание подавало жильцам электроэнергию от паровой машины через линейные шахты. [5]
Электродвигатели были в несколько раз более эффективны, чем небольшие паровые двигатели, поскольку выработка электроэнергии на центральной станции была более эффективной, чем небольшие паровые двигатели, а также потому, что линейные валы и ремни имели высокие потери на трение. [24] [5]
Электродвигатели были более эффективны, чем энергия человека или животных. Эффективность преобразования корма для животных в работу составляет от 4 до 5% по сравнению с более чем 30% для электроэнергии, вырабатываемой с использованием угля. [61] [54]
Электрификация и экономический рост тесно взаимосвязаны. [62] В экономике было показано, что эффективность производства электроэнергии коррелирует с технологическим прогрессом . [61] [62]
В США с 1870 по 1880 год на каждый человеко-час приходилось 0,55 л.с. В 1950 году на каждый человеко-час приходилось 5 л.с., или годовой прирост на 2,8%, а с 1930 по 1950 год этот показатель снизился до 1,5%. [63] Период электрификации фабрик и домашних хозяйств с 1900 по 1940 год был периодом высокой производительности и экономический рост.
Большинство исследований электрификации и электрических сетей были сосредоточены на основных промышленных странах Европы и США. В других местах проводное электричество часто передавалось по цепям колониального правления. Некоторые историки и социологи рассматривали взаимодействие колониальной политики и развития электрических сетей: в Индии Рао [64] показал, что региональная политика, основанная на лингвистике, а не на технико-географических соображениях, привела к созданию двух отдельных сетей; в колониальном Зимбабве (Родезия) Чиковеро [65] показал, что электрификация была основана на расовой принадлежности и служила сообществу белых поселенцев, исключая при этом африканцев; а в «Подмандатной Палестине» Шамир [66] [ нужна страница ] утверждал, что британские уступки в области электроснабжения компании, принадлежащей сионистам, углубили экономическое неравенство между арабами и евреями.
Электрификация, процесс питания систем электричеством, сыграла решающую роль в развитии промышленной автоматизации. Это особенно очевидно при использовании старых программируемых логических контроллеров (ПЛК) и последовательных логических контроллеров (SLC), которые представляют собой типы компьютеров, используемых для управления промышленными процессами. Впервые представленные более полувека назад, эти контроллеры сыграли важную роль в управлении сложными задачами на заводах и в средах автоматизации.
Эволюция автоматизации в рамках Индустрии 4.0 еще больше повысила важность ПЛК и SLC. В современных автоматизированных системах основное внимание уделяется не только механическому управлению, но также управлению и анализу данных. Эти контроллеры адаптировались к этому сдвигу, становясь более интегрированными с передовыми цифровыми системами. Современные ПЛК, например, теперь обладают такими возможностями, как подключение к облаку, которое позволяет им отправлять и получать данные через Интернет, и периферийные вычисления, что означает обработку данных ближе к месту их генерации.
Этот технологический прогресс особенно важен в сложных условиях, например, на удаленных промышленных объектах. Здесь ПЛК, оснащенные новыми технологиями, обеспечивают надежную работу даже в суровых условиях. Они могут решать сложные задачи, такие как мониторинг оборудования и управление потоками данных, доказывая, что даже старые технологии автоматизации адаптировались и остаются актуальными в сегодняшней быстро развивающейся промышленной среде.
В целом, продолжающаяся эволюция ПЛК и SLC иллюстрирует динамичный характер технологий автоматизации, постоянно адаптирующихся к меняющимся потребностям отраслей и сохраняющих свою решающую роль в современных промышленных процессах.
Хотя электрификация городов и домов существует с конца XIX века, около 840 миллионов человек (в основном в Африке) не имели доступа к сетевому электричеству в 2017 году по сравнению с 1,2 миллиарда в 2010 году. [68]
Последний прогресс в электрификации произошел между 1950-ми и 1980-ми годами. Огромный рост наблюдался в 1970-х и 1980-х годах: с 49% мирового населения в 1970 году до 76% в 1990 году. [69] [70] Недавние успехи были более скромными; к началу 2010-х годов 81–83% населения мира имели доступ к электроэнергии. [71]
Чистая энергия в основном генерируется в виде электроэнергии, например, из возобновляемых источников энергии или ядерной энергии . Переход на эти источники энергии требует, чтобы конечные потребители, такие как транспорт и отопление, были электрифицированы, чтобы мировые энергетические системы были устойчивыми. Недавние исследования показали, что в США и Канаде использование тепловых насосов (ТН) экономически выгодно, если они питаются от солнечных фотоэлектрических (PV) устройств для компенсации отопления пропаном в сельской местности [72] и отопления природным газом в городах. [73] Исследование 2023 года [74] исследовало: (1) жилую систему отопления на природном газе и сетевое электричество, (2) жилую систему отопления на природном газе с фотоэлектрическими модулями для обслуживания электрической нагрузки, (3) жилую систему отопления на природном газе с фотоэлектрическими модулями для обслуживания электрической нагрузки Система HP с электросетью и (4) бытовая система HP+PV. Было обнаружено, что в типичных условиях инфляции стоимость жизненного цикла природного газа и реверсивных воздушных тепловых насосов практически одинакова, что отчасти объясняет, почему продажи тепловых насосов в США впервые за период высокая инфляция. [75] При более высоких темпах инфляции или более низких капитальных затратах на фотоэлектрические системы фотоэлектрические системы становятся защитой от роста цен и способствуют внедрению тепловых насосов, также фиксируя рост затрат на электроэнергию и отопление. В исследовании [74] делается вывод: «Реальная внутренняя норма прибыли для таких полупотребительских технологий в 20 раз выше, чем у долгосрочного депозитного сертификата , что демонстрирует дополнительную ценность фотоэлектрических и HP-технологий, которые предлагают полупотребителям по сравнению со сравнительно безопасными инвестиционными инструментами, при этом обеспечивая существенные сокращения». в выбросах углекислого газа». Этот подход можно улучшить, интегрировав тепловую батарею в систему отопления тепловой насос + солнечная энергия. [76] [77]
Устойчиво производить электроэнергию легче, чем устойчиво производить жидкое топливо. Таким образом, внедрение электромобилей — это способ сделать транспорт более устойчивым. [78] Водородные транспортные средства могут стать вариантом для более крупных транспортных средств, которые еще не получили широкого распространения электрификации, таких как грузовики для дальних перевозок. [79] Многие методы, необходимые для снижения выбросов от судоходства и авиации, все еще находятся на ранней стадии разработки. [80]
Большая часть населения мира не может позволить себе достаточное охлаждение своих домов. В дополнение к кондиционированию воздуха , которое требует электрификации и дополнительного энергопотребления, потребуется проектирование пассивных зданий и городское планирование, чтобы обеспечить устойчивое удовлетворение потребностей в охлаждении. [81] Аналогичным образом, многие домохозяйства в развивающихся и развитых странах страдают от нехватки топлива и не могут достаточно отапливать свои дома. [82] Существующие методы отопления часто загрязняют окружающую среду.
Ключевым устойчивым решением проблемы отопления является электрификация ( тепловые насосы или менее эффективный электрический нагреватель ). По оценкам МЭА, тепловые насосы в настоящее время обеспечивают лишь 5% мировых потребностей в отоплении помещений и воды , но могут обеспечить более 90%. [83] Использование геотермальных тепловых насосов не только снижает общую годовую энергетическую нагрузку, связанную с отоплением и охлаждением, но также выравнивает кривую спроса на электроэнергию, устраняя экстремальные летние пиковые потребности в электроэнергии. [84] Однако одних лишь тепловых насосов и резистивного отопления будет недостаточно для электрификации промышленного тепла. Это связано с тем, что в некоторых процессах требуются более высокие температуры, которые невозможно достичь с помощью оборудования такого типа. Например, для производства этилена путем парового крекинга требуются температуры до 900 °C. Следовательно, необходимы радикально новые процессы. Тем не менее, ожидается, что производство электроэнергии и тепла станет первым шагом на пути электрификации химической промышленности , масштабное внедрение которого ожидается к 2025 году. [85]
Некоторые города в Соединенных Штатах начали запрещать подключение газа к новым домам, при этом законы штата были приняты и находятся на рассмотрении, либо требующие электрификации, либо запрещающие местные требования. [86] Правительство Великобритании экспериментирует с электрификацией отопления домов для достижения своих климатических целей. [87] Керамический и индукционный нагрев для варочных панелей, а также для промышленного применения (например, паровые крекеры) являются примерами технологий, которые можно использовать для перехода от природного газа. [88]
Электричество — это «липкая» форма энергии, поскольку оно имеет тенденцию оставаться на континенте или острове, где оно производится. Он также имеет несколько источников; если один источник испытывает дефицит, электроэнергию можно производить из других источников, включая возобновляемые источники . В результате в долгосрочной перспективе это относительно устойчивый способ передачи энергии. [89] В краткосрочной перспективе, поскольку электроэнергия должна поставляться в тот же момент, когда она потребляется, она несколько нестабильна по сравнению с топливом, которое можно доставлять и хранить на месте. Однако эту проблему можно смягчить за счет хранения энергии в сети и распределенной генерации .
Солнечная и ветровая энергия являются переменными возобновляемыми источниками энергии, которые поставляют электроэнергию с перерывами в зависимости от погоды и времени суток. [90] [91] Большинство электрических сетей были построены для бесперебойных источников энергии, таких как угольные электростанции. [92] Поскольку в энергосистему интегрируется большее количество солнечной и ветровой энергии, необходимо внести изменения в энергетическую систему, чтобы обеспечить соответствие поставок электроэнергии спросу. [93] В 2019 году эти источники произвели 8,5% мировой электроэнергии, и эта доля быстро росла. [94]
Существуют различные способы сделать электроэнергетическую систему более гибкой. Во многих местах ветровая и солнечная энергия дополняют друг друга в ежедневном и сезонном масштабе: ветер сильнее ночью и зимой, когда производство солнечной энергии низкое. [93] Соединение различных географических регионов с помощью линий электропередачи на большие расстояния позволяет еще больше устранить изменчивость. [95] Спрос на энергию можно смещать во времени посредством управления спросом на энергию и использования интеллектуальных сетей , соответствующих времени, когда производство переменной энергии является самым высоким. При хранении энергия, производимая в избытке, может быть высвобождена при необходимости. [93] Создание дополнительных мощностей для ветровой и солнечной генерации может помочь обеспечить выработку достаточного количества электроэнергии даже в плохую погоду; во время оптимальных погодных условий выработку энергии, возможно, придется сократить . Окончательное несоответствие может быть устранено за счет использования управляемых источников энергии, таких как гидроэнергетика, биоэнергетика или природный газ. [96]
.jpg/1280px-Abengoa_Solar_(7336087392).jpg)
Хранение энергии помогает преодолеть барьеры для прерывистой возобновляемой энергии и, следовательно, является важным аспектом устойчивой энергетической системы. [97] Наиболее часто используемым методом хранения является гидроаккумулирующая гидроэнергетика , для которой требуются места с большими перепадами высот и доступом к воде. [97] Аккумуляторы , особенно литий-ионные , также широко используются. [98] Они содержат кобальт , который в основном добывается в Конго , политически нестабильном регионе. Более диверсифицированные географические источники поставок могут обеспечить стабильность цепочки поставок, а их воздействие на окружающую среду можно уменьшить за счет переработки и вторичной переработки. [99] [100] Батареи обычно хранят электроэнергию в течение коротких периодов времени; Продолжаются исследования технологий, обладающих достаточной мощностью, чтобы работать в течение всего сезона. [101] В некоторых местах были реализованы гидроаккумулирующие станции и электростанции , рассчитанные на многомесячное использование. [102] [103]
По состоянию на 2018 год хранение тепловой энергии обычно не так удобно, как сжигание ископаемого топлива . Высокие первоначальные затраты являются препятствием для реализации. Сезонное хранение тепловой энергии требует большой емкости; он был реализован в некоторых регионах высоких широт для отопления домов. [104]
Лекционный зал общества был первым общественным помещением, освещенным электрическим светом во время лекции сэра Джозефа Свона 20 октября 1880 года.
{{cite book}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
Словарное определение электрификации в Викисловаре